Введение к работе
Актуальность темы: С момента открытия почти двести лет назад магний привлекает к себе повышенный интерес конструкторов и исследователей в связи с высочайшей удельной прочностью. При более высокой прочности магний обладает жесткостью и плотностью, сопоставимой с самыми прогрессивными полимерами и при этом, в отличие от полимеров и алюминия, легко утилизируется и относительно легко перерабатывается для вторичного использования. Все это делает сплавы магния очень привлекательными для транспортных отраслей промышленности, где снижение веса является одной из приоритетных задач.
Следует также отметить, что магний обладает биосовместимостью и способностью к постепенному рассасыванию в биологических средах, и может применяться для изготовления биоразлагаемых изделий медицинского назначения (например, конструкций остеосинтеза или сосудистых стентов). Кроме того, магний является перспективным материалом в альтернативной энергетике для создания аккумуляторов водорода.
Несмотря на привлекательные свойства, магниевые сплавы имеют и ряд недостатков: низкая прочность и пластичность в литом состоянии, плохая деформируемость, низкая коррозионная стойкость. В настоящее время наблюдается большое количество исследований, направленных на решение данных проблем, активно развиваются государственные, международные научные программы и отраслевые проекты по созданию новых сплавов. Ведущие организации по разработке и изучению магниевых сплавов находятся в таких странах, как США, Россия, Китай, Япония, Германия, Англия, Корея и др. Исследования в данной области активно проводят как отечественные, так и зарубежные ученые: Mordlike B.L., Song G.L., Kawamura Y., Witte F., Agnew S.R., Barnett M.R., Mathis K., Эстрин Ю.З., Виноградов А.Ю., Маркушев М.М., Добаткин С.В., Валиев Р.З. и многие другие. Тем не менее, при всем обилии разработок, физико-механические характеристики магниевых сплавов по-прежнему оставляют желать лучшего - главным образом, из-за пробелов в понимании механизмов деформации, а потенциал повышения их характеристик далеко не исчерпан.
Таким образом, по-прежнему актуальным остается проведение работ, направленных на получение сплавов с повышенными эксплуатационными характеристиками, а также фундаментальное понимание природы изменения свойств. При этом ключевой задачей является понимание связи механизмов деформации с условиями нагружения и состоянием микроструктуры, которая в конечном итоге и обеспечивает получение заданных характеристик.
Цель работы – установление физических закономерностей реализации механизмов деформации магниевых сплавов в зависимости от их исходной микроструктуры и вида нагружения.
В диссертационной работе были поставлены и решены следующие исследовательские задачи:
1) Подобрать комплекс стандартных методик исследования и
характеризации магниевых сплавов; разработать методику анализа видеоданных для автоматизации подсчета образующихся двойников.
-
Получить магниевые сплавы в различном структурном состоянии путем применения различных схем и режимов механической и термической обработок.
-
Определить основные зависимости между условиями обработки и получаемой микроструктурой.
-
Установить связь между структурными параметрами сплавов и их механическими свойствами при статическом и циклическом нагружении в зависимости от режимов обработки.
-
Выявить особенности морфологии поверхности и характера разрушения сплавов в различном структурном состоянии.
-
С помощью уникального испытательного стенда, позволяющего в процессе статических и циклических испытаний вести одновременно скоростную видеосъемку поверхности и запись сигналов акустической эмиссии (АЭ), установить особенности протекания механизмов деформации, ответственных за механическое поведение магниевых сплавов.
-
Разработать феноменологическую модель кинетики накопления двойников, учитывающую экспериментально наблюдаемые микроструктурные параметры.
Объект исследования: чистый магний, магниевые сплавы ZK60 (Mg-5,8Zn-0,8Zr) и ZK30 (Mg-2,6Zn-0,01Zr).
Предмет исследования: влияние структурных факторов и условий нагружения на кинетику деформационных процессов в магниевых сплавах и их механическое поведение в целом.
Научная новизна:
На основе синхронизированной записи механических диаграмм, сигналов акустической эмиссии и видеосъемки поверхности установлены особенности деформационного поведения и работы механизмов деформации для чистого магния и сплавов Mg-Zn-Zr при различных условиях нагружения.
Установлен нижний предел скорости образования двойника, который находится на уровне 100 м/c, и скорости роста двойника - 10-4-10-3 м/с.
Впервые экспериментально установлена линейная зависимость
амплитуды сигнала АЭ от длины образующегося двойника и корреляция между
распределениями амплитуд сигналов и размеров зерен.
Разработана феноменологическая модель кинетики двойникования,
которая учитывает структурные характеристики материала и позволяет определять
объемную долю двойников как функцию от приложенного напряжения.
Практическая значимость:
Разработанный алгоритм обработки видеоданных может быть с успехом применен для количественного анализа процесса двойникования и упрощения рутинной работы по обработке больших объемов данных.
Применение методов интенсивной пластической деформации позволило для сплава Mg-5,8Zn-0,8Zr (ZK60) получить механические характеристики на уровне: временное сопротивление 325 МПа, относительное удлинение 40% и
предел выносливости 120 МПа, сочетание которых является превосходным показателем для данного сплава и повышает его привлекательность для применения в автомобильной и авиакосмической отраслях.
Установленные особенности деформационного поведения чистого магния и его сплавов и разработанная феноменологическая модель накопления двойников могут быть использованы для разработки и прогнозирования свойств новых сплавов с повышенными механическими характеристиками.
Использованная в работе методика кластерного анализа сигналов акустической эмиссии для идентификации процессов дислокационного скольжения и двойникования в магниевых сплавах может быть применима для изучения кинетики механизмов деформирования и в других материалах.
Методология и методы исследования:
Работа включала изучение литературных источников, теоретическое моделирование процесса двойникования и практические исследования различными методами, в качестве которых применялись: оптическая и сканирующая электронная микроскопия, анализ картин дифракции обратно-рассеянных электронов (EBSD), запись и анализ сигналов АЭ, механические испытания по схеме одноосного растяжения-сжатия, испытания на малоцикловую и многоцикловую усталость, видеосъемка поверхности образца.
Положения, выносимые на защиту:
-
Описание влияния механической и термической обработки на микроструктуру и механическое поведение магниевых сплавов при различных видах нагружения.
-
Алгоритм обработки видеоданных и принципы интерпретации результатов кластерного анализа сигналов акустической эмиссии применительно к магниевым сплавам.
-
Результаты исследования кинетики двойникования и дислокационного скольжения в чистом магнии и сплаве ZK30 при статическом и циклическом нагружении.
-
Феноменологическая модель кинетики двойникования, позволяющая определять объемную долю образующихся в материале двойников в зависимости от приложенного напряжения.
Связь работы с научными программами и темами:
Работа выполнена в Тольяттинском государственном университете на базе НИИ Прогрессивных технологий в рамках ФПЦ «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы», соглашения №14.586.21.0021, № 14.583.21.0006, а также при поддержке грантов на проведение работ по постановлению Правительства РФ от 09.04.2010 № 220 «О государственной поддержке научных исследований, проводимых под руководством ведущих ученых в российских образовательных учреждениях высшего профессионального образования» № 11.G34.31.0031 (первая очередь).
Достоверность полученных в работе результатов обеспечивается корректностью поставленных задач, использованием апробированных
экспериментальных методов, а также обоснованностью используемых
приближений и совпадением результатов, полученных различными методами.
Апробация работы: основные результаты работы докладывались и
обсуждались на конференциях: VII и VIII Международная школа «Физическое
материаловедение» (Тольятти, 2016 и 2017), MRC International Symposium,
MRC2016 (Киото, 2016), Открытая школа-конференция стран СНГ
«Ультрамелкозернистые и наноструктурные материалы» (Уфа, 2016), I и II Международный научный форум молодых ученых «Наука будущего – наука молодых» (Севастополь, 2015 и Казань, 2016), Всероссийский форум молодых ученых (Екатеринбург, 2017), IX-я Евразийская научно-практическая конференция «Прочность неоднородных структур ПРОСТ-2018» (Москва, 2018), Всероссийская конференция с международным участием «Актуальные проблемы метода акустической эмиссии» (Тольятти, 2018).
Публикации: результаты диссертации опубликованы в 20 работах, из них 9 в рецензируемых изданиях, входящих в систему цитирования WoS и Scopus и рекомендованных ВАК РФ.
Личный вклад автора состоит в анализе литературных источников и состояния проблемы, постановке целей и задач исследования, подготовке основной части образцов, проведении 95% всех экспериментальных исследований и обработке полученных результатов. Автором лично были представлены результаты проведенных испытаний и исследований в форме устных докладов на конференциях. Обсуждение и интерпретация результатов проводились автором совместно с научным руководителем и соавторами публикаций.
Структура и объем диссертации: диссертация изложена на 125 страницах машинописного текста, включает 66 рисунков и 8 таблиц. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, заключения и списка использованных источников, содержащего 160 наименований, 2 приложений.